Несколько последних лет в области электроники, в частности в области устройств из разряда интернета вещей, наблюдается тенденция постоянного увеличения энергетической эффективности этих устройств. Это происходит благодаря тому, что ученые и инженеры постоянно изобретают новые методы, позволяющие обеспечить более длительную работу устройств при меньших затратах энергии. Своего рода рекорда в этом направлении удалось добиться
Ученые из Вашингтонского университета создали опытный вариант датчика-логгера, способный работать около года на энергии всего одного импульса (импульс эквивалентен энергии 50 миллионов электронов). Достигнуто это было за счет использования физического явления, называемого квантовым туннелированием.
Законы квантовой физики, которые действую на уровне отдельных атомов и субатомных частиц, определяют то, что электрон может вести себя, как частица и как волна одновременно. Это явление называется квантовым дуализмом и в данном случае оно используется для управления перемещениями электронов из одной части схемы в другие практически без потерь энергии.
В обычных электронных устройствах для возникновения электрического тока, который является основным носителем информации, требуется постоянное снабжение электронов избыточной энергией для того, чтобы они могли преодолевать возникающие на их пути потенциальные барьеры. И если вы собираетесь сделать действительно эффективное устройство, работающее с очень малыми затратами энергии, то преодоление потенциальных барьеров необходимо реализовывать более «хитрыми» путями, нежели при традиционном подходе.
И именно здесь нам помогают законы квантовой механики, которые используются для формирования особого потенциального барьера. В данном случае этим барьером является туннельный переход Фаулера-Нордгейма (Fowler-Nordheim tunnelling barrier), ширина которого не превышает 100 атомов. Путем создания такого перехода ученые сумели замедлить поток электронов, что в свою очередь, позволило держать всю систему во включенном стабильном состоянии длительное время.
Созданное учеными устройство состояло из двух систем. Первая система представляла собой датчик и логгер (устройство запоминания показаний датчика), которые можно легко адаптировать или заменить на другие, выполняющие функции контроля концентрации глюкозы в крови, измерения температуры, контроля подачи лекарственных препаратов и т.п.
Второй частью устройства являлся собственно сверхвысокоэффективный динамический преобразователь энергии на базе туннельных переходов Фаулера-Нордгейма, в который поступала энергия от пьезоэлектрического акселерометра, вырабатывающего слабые импульсы тока в ответ на движение. В принципе, столь высокоэффективная система сбора и преобразования энергии вполне допускает использование источников энергии других типов, к примеру, преобразования в электричество малой часть тепла тела человека или энергии радиоволн.
«Сейчас мы имеем универсальную платформу» — пишут исследователи, — «Ее конечная функциональность будет зависеть от того, что будет подключено к нашему высокоэффективному преобразователю энергии, способному обеспечить энергией и датчик и устройство хранения данных, которые смогут работать очень долгое время, не нуждаясь в батарее или другом традиционном источнике энергии».